一种新型自动化水果采摘机械的设计

张新磊 李春雪* 沈阳工学院

1 研究背景

近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。

目前的果蔬采摘机器人一般可分为移动机构、机械手、识别和定位系统、末端执行器等四大部分。虽然果蔬收获机器人的研究已经取得了很大的进展，但离实用化和商品化还有很长一段距离。目前，采摘机器人研究领域主要存在以下几个问题：①果实的识别率不高或识别后定位精度不高。识别果实和确定果实位置主要采用灰度阈值、颜色色度法和几何形状特性等方法。②果实的损伤率较大。③果实的平均采摘周期较长。目前的果实收获机器人由于视觉、结构及控制系统等原因，大多数采摘机器人的效率不高。④采摘机器人的制造成本较高，设备利用率低，使用维护不方便。我们可以通过简易水果采摘机可以实现简单方便地采摘任务，而且要实现不同高度的水果采摘任务；对于不同大小的水果也要有不同的水果采摘口来适应不同大小水果的采摘，为保证水果鲜美和不被昆虫破坏，该采摘机在换掉说过采摘刀片的时候，可以实现水果套袋；换上农药喷头的时候还可以实现高位水果喷洒农药的完成。当设计更多到头的时候可以实现不同水果用一种机器采摘，真正实现多用途，提高农民的工作效率和现代农业的机械化程度。

首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配；最后通过选用Pro/E中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。模型见下图

2 创新之处

机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。当前，大部分的采摘机器人借用的工业机械手，体积较大，成本高。在满足机器人性能的前提下，针对采摘作业对象的特点，设计简单、紧凑、轻巧，采摘无损高效的机械手，是必须解决的问题，采用三维实体造型技术、虚拟样机技术和优化理论等可以大大缩短设计周期，而且可以进行机构的运动学和动力学仿真，优化机器人结构。目前，在果蔬机械采摘过程中，迫切要求农业机器人能实现一些果蔬抓持和操作的稳定性，具有力闭环控制的抓取手或采摘机构将成为解决问题的途径。

[1]锻洁利，陆华忠等.水果采摘机械的现状与发展{J}.广东农业科学，2012,39（16）

[2]王洪义.农业机械化与农业劳动力转移. 北京农业,2011

[3]罗锡文.对加速我国农业机械化发展的思考. 农业工程,2011

[4]陈兆永.农业机械自动化的现状及推广策略.{J}南方农机，2017,48（14）

[5]马质璞，张抗，等.一种新型单果采摘器的设计.{J}机械设计与制造，2017（5）